第2章 电源变换和控制技术基础知识 机械工业出版社

本章主要内容 2.1 电力电子器件及应用 2.2 AC-DC变换电路 2.3 DC-DC变换电路 2.4 DC-AC变换电路 2.5 AC-AC变换电路 2.6 多级复合形式的变换电路 2.7 半导体功率器件的驱动与保护电路 机械工业出版社

2.1 电力电子器件及应用 ◆ 不可控器件——电力二极管 ◆绝缘栅双极型晶体管——IGBT ◆电力电子器件的概念和特征 ◆电力电子器件的分类   ◆半控型器件——晶闸管   ◆电力场效应晶体管——电力MOSFET  ◆绝缘栅双极型晶体管——IGBT 机械工业出版社

2.1.1电力电子器件的概念和特征 ◆电力技术（电力设备、电力网络） ◆ 电子技术（电子器件、电子电路） ◆ 控制技术（连续、离散） 机械工业出版社

1974年美国学者W.Newell用于表征电力电子技术的倒三角 机械工业出版社

2.1.2电力电子器件的分类 ◆电力电子及其特性 ◆电力电子器件的分类 ◆几种典型的电力电子器件  机械工业出版社

电力电子及其特性 电力电子器件被广泛用于处理电能的主电路中，是实现电能的传输、变换或控制的电子器件。 电力电子器件所具有的主要特征为： ①电力电子器件处理的电功率的大小是其主要的特征参数。 ②电力电子器件往往工作在开关状态； ③在实际应用中因此需要驱动电路对控制信号进行放大。 机械工业出版社

电力电子器件的分类 1、按可控性分类 （1）不控型器件：不能用控制信号控制其导通和关断的电力电子器件 。如：功率二极管（Power Diode）。 机械工业出版社

（2）半控型器件：可以通过控制极（门极）控制器件导通，但不能控制其关断的电力电子器件。晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件(除GTO及MCT—MOSFET控制晶闸管等复合器件外)，器件的关断一般依靠其在电路中承受反向电压或减小通态电流使其恢复阻断。 机械工业出版社

（3）全控型器件：既可以通过器件的控制极（门极）控制其导通，又可控制其关断的器件。主要有：功率晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸管（GTO）和电力场效应晶体管(P-MOS)等。 机械工业出版社

2、按驱动信号类型分类 (1) 电流驱动型：通过对控制极注入或抽出电流，实现其开通或关断的电力电子器件称为电流驱动型器件，如Thyrister，GTR，GTO等。 (2) 电压驱动型：通过对控制极和另一主电极之间施加控制电压信号，实现其开通或关断的电力电子器件称为电压驱动型器件，如P－MOSFET，IGBT等。 机械工业出版社

几种典型的电力电子器件 不可控器件――电力二极管 半控型器件――晶闸管 电力场效应晶体管――电力MOSFET 绝缘栅双极型晶体管――IGBT 几种典型的电力电子器件  不可控器件――电力二极管 半控型器件――晶闸管 电力场效应晶体管――电力MOSFET 绝缘栅双极型晶体管――IGBT 机械工业出版社

1、不可控器件――电力二极管 （1）电力二极管的基本特性：电力二极管（Power Diode）承受的反向电压耐力与阳极通流能力均比普通二极管大得多，但它的工作原理和伏安（V－A）特性与普通二极管基本相同，都具有正向导电性和反向阻断性。电力二极管的电路符号和静态特性（即伏安特性）如下图所示。 图2-1 电力二极管电路符号及伏安（V－A）特性 机械工业出版社

（2）电力二极管的主要参数 正向平均电流IF(AV) ：电力二极管在连续运行条件时，器件在额定结温和规定的散热条件下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 反向重复峰值电压URRM ：指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是雪崩击穿电压URBO的2/3。 机械工业出版社

正向通态压降UF ：在额定结温下，电力二极管在导通状态流过某一稳态正向电流（IF）所对应的正向压降。正向压降越低，表明其导通损耗越小。 反向恢复电流IRP及反向恢复时间trr ：反向恢复时间trr通常定义为从电流下降为零至反向电流衰减至反向恢复电流峰值25％的时间。反向恢复电流IRP及恢复时间trr与正向导通时的正向电流IF及电流下降率diF/dt密切相关。 反向恢复过程：受二极管PN结中空间电荷区存储电荷的影响，向正向导通的二极管施加反向电压时，二极管不能立即转为截止状态，只有存储电荷完全复合后，二极管才呈现高阻状态。 机械工业出版社

2、半控型器件――晶闸管 优点：晶闸管可以承受的电压、电流在功率半导体中均为最高，具有价格便宜、工作可靠的优点，尽管其开关频率较低，但在大功率、低频电力电子装置中仍占主导地位。 图2-2 晶闸管电路符号及伏安（V－A）特性 机械工业出版社

（1）基本特性： 电流触发特性：当晶闸管A－K极间承受正向电压时，如果G－K极间流过正向触发电流，就会使晶闸管导通。 单向导电特性：当承受反向电压时，此时无论门极有无触发电流，晶闸管都不会导通。 半控型特性：晶闸管一旦导通，门极就失去作用；此时，不论门极电流是否存在、触发电流极性如何，晶闸管都维持导通。要使导通的晶闸管恢复关断，可对其A－K极间施加反向电压或使其流过的电流小于维持电流（IH）。 机械工业出版社

（2）主要参数 额定电压UT：晶闸管在额定结温、门极开路时，允许重复施加的正、反向断态重复峰值电压UDRM和URRM中较小的一个电压值称为晶闸管的额定电压UT。 正、反向断态重复峰值电压UDRM、URRM：晶闸管门极开路(Ig=0)、器件在额定结温时，允许重复加在器件上的正、反向峰值电压。一般分别取正、反向断态不重复峰值电压（UDSM、URSM） 的90%。正向断态不重复峰值电压应小于转折电压（Ubo）。 通态平均电流IT(AV)：在环境温度为40℃和规定的散热条件下、稳定结温不超过额定结温时，晶闸管允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。这也是额定电流的参数。 维持电流IH：维持晶闸管导通所必需的最小电流，一般为几十到几百mA。 机械工业出版社

3、电力场效应晶体管――电力MOSFET （1）基本特性 图2-3 电力MOSFET结构图和电路图形符号 机械工业出版社

图2-4 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a)转移特性 b)输出特性 图2-4 电力MOSFET的转移特性和输出特性 机械工业出版社

（2）主要参数 漏极电压UDS 漏极直流电流额定值ID和漏极脉冲电流峰值IDM 漏源通态电阻RDS(on)：在栅源间施加一定电压（10～15V），漏源间的导通电阻。 栅源电压UGS：栅源之间的绝缘层很薄，当|UGS|>20V时将导致绝缘层击穿。 极间电容：MOSFET的3个电极之间分别存在极间电容CGS、CGD、CDS。一般生产厂商提供的是漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss。 Ciss= CGS+ CGD （2-1） Crss=CGD （2-2） Coss=CDS+CGD （2-3） 机械工业出版社

4、绝缘栅双极型晶体管――IGBT （1）基本特性： 静态特性与P-MOSFET类似； UGE=0时IC=0，IGBT处于阻断状态（断态）； UGE足够大（一般为5~15V），IGBT进入导通状态（通态），当UCE大于一定值（一般2V左右）时IC>0。 优点：驱动功率小、开关速度高通流能力强、耐压等级高 图2-5 IGBT电路符号图形 机械工业出版社

（2）主要参数 最大集射极间电压BUCES：该参数决定了器件的最高工作电压，这是由内部PNP晶体管所能承受的击穿电压确定的。 最大集电极电流ICM：包括在一定壳温下的额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。 最大集电极功耗PCM：在正常工作温度下允许的最大耗散功率。 集射极间饱和压降UCE(sat)：对栅极与发射极（G－E）间施加一定正向电压，在一定的结温及集电极电流条件下，集射极（C－E）间的饱和通态压降。此压降在集电极电流较小时，呈负温度系数，在电流较大时，为正温度系数，这一特性使IGBT并联运行较为容易。 机械工业出版社

现代电力电子的应用 ◆电力电子变换与控制技术（以四大变换展开） ◆谐波抑制与功率因素校正技术 ◆电力电子技术的典型应用案列 机械工业出版社

电力电子变换与控制系统 1.主要由AC/DC,DC/AC,DC/DC,AC/AC四大基本变换及其组合构成的主电路拓扑。 2.现代电力电子装置的控制系统由微电子器件（硬件）、控制策略（软件）和检测、保护、驱动等组成。 机械工业出版社

四大基本变化电路 AC-DC变换电路 DC-DC变换电路 DC-AC变换电路 AC-AC变换电路 机械工业出版社

2.2 AC—DC变换电路 交流――直流变换器（AC ―DC Converter）的功能是将交流电变换成直流电，又称为整流器。 机械工业出版社

a、二极管整流电路――不控整流 表2-1 常用二极管整流器的主要形式 名称 输出电压型 输出电流型 单 相 半 波 全 机械工业出版社

续表2-1 单 相 桥 式 三 半 波 机械工业出版社

b、晶闸管整流电路――相控整流 单 相 半 波 全 表2-2 常用晶闸管整流器的主要形式 名称 输出电压型 输出电流型 机械工业出版社 单相 表2-2 常用晶闸管整流器的主要形式 名称 输出电压型 输出电流型 单 相 半 波 全 单相 桥式 半控 机械工业出版社

续表2-2 单相 桥式 全控 三 相 半 波 三相 半控 机械工业出版社

c、PWM整流电路――斩波整流 图2-6 单相半桥整流器 图2-7 单相全桥整流器 机械工业出版社

图2-8 三相电压型PWM整流器 图2-9 三相电流型PWM整流器 机械工业出版社

2.3 DC/DC变换电路 直流――直流变换器（DC－DC Converter）的功能是将一种直流电变换为另一种固定或可调电压的直流电，又称为直流斩波器（DC Chopper）。 机械工业出版社

a、不隔离式单管DC－DC变换器 Buck变换器 Boost变换器 是一种降压型DC－DC变换电路，输出电压小于或等于输入电压，输入电流断续。输出电压Uo=DyUin， 占空比Dy=ton/Ts＝0～1(下同)。 Boost变换器 是一种升压型DC－DC变换电路，输出电压大于输入电压，VT的占空比Dy必须小于1，输入电流连续。输出电压Uo= Uin /(1－Dy)。 机械工业出版社

Buck－Boost变换器 一种升降压型DC－DC变换电路，输出电压大于或小于输入电压，输出电压极性和输入电压极性相反，输入电流断续。输出电压Uo=－Dy Uin /(1－Dy)。 Cúk变换器 一种升降压型DC－DC变换电路，输出电压大于或小于输入电压，输出电压极性和输入电压极性相反，输入电流连续。输出电压Uo=－(Dy/1－Dy)Uin。 机械工业出版社

Sepic变换器 一种升降压型DC－DC变换电路，输出电压大于或小于输入电压，输出电压极性和输入电压极性相同，输入电流连续。输出电压Uo=(Dy/1－Dy)Uin。 Zeta变换器 一种升降压型DC－DC变换电路，输出电压大于或小于输入电压，输出电压极性和输入电压极性相同。输入电流断续。输出电压Uo=(Dy/1－Dy)Uin。 机械工业出版社

b、隔离型DC－DC变换器 单端正激式DC－DC 变换电路 图2-10 单端正激变换器主电路 图2-11 正激变换器工作波形 机械工业出版社

单端反激式DC－DC变换电路 图2-12 单端反激式DC-DC变换电路 机械工业出版社

a)电流连续模式(CCM) b)电流断续模式(DCM) 图2-13 反激式变换器工作波形 机械工业出版社

2.4 DC－AC变换电路 将直流电变换为交流电的过程称为逆变换或DC－AC变换，实现逆变的主电路称为DC－AC变换电路。通常将DC－AC变换电路、控制电路、驱动及保护电路组成的DC－AC逆变电源称为逆变器（Inverter）。 机械工业出版社

a、常用的DC－AC逆变电路 电压型单相半桥逆变电路 直流母线电容滤波，直流电压Ud经C1、C2分压，VT1、VT2交替导通/关断；负载上的电压幅值为Ud的一半，功率为全桥逆变器的四分之一；开关管VT1、VT2上承受的最大电压为Ud；控制方式主要是PWM脉宽调制控制，移相控制等。 机械工业出版社

电压型单相全桥逆变电路 直流母线电容Cd滤波，VT1、VT4和 VT2、VT3交替导通/关断；加在负载上的电压幅值为Ud，输出功率为半桥逆变器的四倍；开关管VT1～VT4上承受的最大电压为Ud；控制方式有单极、双极式PWM脉宽调制控制，移相控制，调频控制等方式。 机械工业出版社

电流型单相全桥逆变电路 直流母线电感Ld滤波，VT1、VT4和 VT2、VT3交替导通/关断；负载上的电流波形为方波，幅值为Id；开关管VT1～VT4上承受的电压为负载上的电压。负载上的电压幅值和相位取决于负载阻抗大小和性质。 机械工业出版社

电压型三相桥式逆变电路 直流母线电容Cd滤波，负载线电压幅值为Ud，开关管VT1～VT6上承受的最大电压为Ud，控制方式有PWM脉宽调制、移相控制、调频控制等方式，换流方式有1800和1200两种。适合4kW以上的三相负载。 机械工业出版社

b、归纳 DC－AC逆变电路的主要拓扑形式 电压型逆变器 电流型逆变器 单相半桥逆变器 单相全桥逆变器 三相桥式逆变器 机械工业出版社

c、逆变电路的参数计算 电压型单相半桥逆变电路的参数计算 逆变器的输入电压为Ud，输出功率为P，可得通过负载的电流有效值为： 对于电阻性负载和谐振负载 ： （2-4） 对于阻感性负载： （2-5） 选开关管VT1、VT2上的电压定额为： （2-6） 选开关管VT1、VT2上的电流定额为： （2-7） 机械工业出版社

电压型单相全桥逆变电路的参数 对于电阻性负载和谐振负载 ： 对于阻感性负载： 选开关管VT1、VT2上的电压定额为： （2-8） 对于阻感性负载： （2-9） 选开关管VT1、VT2上的电压定额为： （2-10） 选开关管VT1、VT2上的电流定额为： （2-11） 机械工业出版社

电流型单相全桥逆变电路的参数计算 等效导纳为： （2-12） 在谐振点工作时，负载为等效电阻Ro、谐振频率为 （2-13） 机械工业出版社

其中为逆变器输入电流，由负载输出功率P求得 （2-14） 将 代入R0，得 开关管VT1、VT2上的电压定额为 （2-15） 开关管VT1、VT2上的电流定额为 （2-16） 其中为逆变器输入电流，由负载输出功率P求得 （2-17） 机械工业出版社

电压型三相全桥逆变电路的参数计算 对于电阻性负载 对于电阻电感性负载 开关管VT1~VT6上的电压定额为 开关管VT1~VT6上的电流定额为 （2-18） 对于电阻性负载 对于电阻电感性负载 （2-19） 开关管VT1~VT6上的电压定额为 （2-20） 开关管VT1~VT6上的电流定额为 （2-21） 机械工业出版社

2.5 AC－AC变换电路 交流――交流变换器（AC－AC Converter）分为三大类： 第三类 PWM斩波式AC--AC变换器，即可实现降压又可升压，还可以实现变频控制，是一种高性能的变换器，目前处于研究阶段。 机械工业出版社

a、单相全控 AC-AC变换电路 电路特点： 单相全控型电压控制器，是最基本的交流调压电路。图中2只普通晶闸管（T1、T2）可由一只双向晶闸管取代，但有效电流定额需扩大约70%。 机械工业出版社

b、单相半控 AC-AC变换电路 电路特点： 节省了一个晶闸管，但移相控制运行时输出电压正负半波不对称，会给交流电网带来谐波污染，不宜用于较大功率的调压控制场合。 机械工业出版社

c、带中性线N，星形联结 电路特点： 带一根电源中性线，相当于三只单相晶闸管交流调压器的组合，适合带中线的星形平衡负载调压或调功。缺点是三相不平衡运行时，中线含有较大电流及谐波。 机械工业出版社

d、无中性线的三相连接 电路特点： 三相负载可为星形、三角形联结，每相电路通过另一相形成回路。不对称运行时，Δ形负载内部有较大环流。 机械工业出版社

e、内△联接的控制器 电路特点： 反并联晶闸管与各相负载串联后再接成三角形，相当于三个单相电压控制器组成三相晶闸管交流电压控制器。优点是对电网冲击小，缺点是要求负载有6个抽头。 机械工业出版社

2.6多极复合形式的变换电路    在众多电源变换器中AC－DC，DC－DC，DC－AC和AC－AC变换是四种最基本的电压或频率变换电路。在新能源发电技术的实际应用中，常将两个以上的基本变换电路组合在一起，构成多级复合形式的变换电路。 机械工业出版社

1．AC－DC－DC－AC变换电路（DC－DC降压型） 机械工业出版社

图2－16 升压型AC－DC－DC－AC变换电路 2．AC－DC－DC－AC变换电路（DC－DC升压型） 图2－16 升压型AC－DC－DC－AC变换电路 机械工业出版社

3．隔离式DC－AC－DC变换电路 图2－17 隔离式DC－AC－DC变换电路 机械工业出版社

图2－18 隔离式AC－DC－AC－DC变换电路 机械工业出版社

2.7 半导体功率器件的驱动与保护电路 实际的电力电子变换器是由主电路、驱动器及保护电路、控制电路、检测与显示电路等多个子系统构成。驱动器接受控制系统输出的控制信号，经功率放大和隔离后，驱动功率开关器件的导通、关断，是连接功率器件与控制系统的桥梁。由于半导体功率开关器件种类繁多，不同的开关器件对驱动器的性能要求不尽相同，典型的驱动器分为电流驱动型器件和电压驱动型器件的两大类驱动器。电流驱动型器件主要有SCR、GTO和GTR，电压驱动型器件主要有MOSFET、IGBT和SIT等。 机械工业出版社

2.7.1 晶闸管SCR触发驱动器 图2－19采用变压器隔离的SCR驱动器 图2－20 采用光耦隔离的SCR驱动器 机械工业出版社

2.7.2 IGBT和MOSFET驱动器 和双极型晶体管（GTR）不同，功率MOSFET和IGBT器件都是属于电压驱动型，输入阻抗很大，为提高器件的开关速度，电压驱动型器件的栅极驱动器除应具有更快的响应速度（ns级）外，同样需要足够大的栅极驱动能力（一般为＋15V）和反向电压（一般为－5v），以保证瞬时完成对等效栅极电容的充电或放电过程。 机械工业出版社

功率MOSFET和IGBT器件驱动器应用实例 1．TLP250功率驱动电路及应用 图2－22 TLP250组成的驱动电路 机械工业出版社

2．UC3724/UC3725驱动电路 图2－23 UC3724/3725功率MOSFET驱动电路 机械工业出版社

3．IHD680驱动电路 图2－24 IHD680驱动电路 机械工业出版社

4．MAX4428驱动电路 图2－25 MAX4428驱动电路 机械工业出版社

5．IR2110驱动电路 图2－26 IR2110驱动电路 机械工业出版社

6． EXB841驱动电路 图2－27 EXB841内部电路 机械工业出版社

2.7.3 功率器件的保护电路 1．过电流保护电路 过电流保护在电源变换电路中是一个很重要的环节，直接影响到装置的可靠性。 MOSFET和IGBT的过流允许值一般为2倍的电流额定值，IGBT允许过流时间一般≤20μs， MOSFET允许过流时间还要小。考虑到过电流发生和硬件保护电路需要一定的时间，因此要求过电流检测的电流传感器（一般用霍尔传感器）响应速度要快。 除了在驱动电路中加过流保护功能外，还要在整流电路输出、逆变电路输入、负载回路加过流检测进行过流保护。 机械工业出版社

电流传感器的安装位置可选择为：①与直流母线串联，可以检测直流母线后的逆变电路或负载回路的过电流。②与负载串联，可检测负载回路的过电流。③与每一个IGBT串联，可直接检测IGBT的过电流，但使用的电流传感器多，成本高，一般不用。 图2－28 电流传感器的安装位置 机械工业出版社

2．过电压保护电路   过电压的抑制方法常利用电容对电压冲击的缓冲作用，设计合适的缓冲电路吸收du/dt或采用软开关技术。采用性能良好的缓冲电路，可使功率MOSFET或IGBT工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减少开关损耗，对装置的运行效率、可靠性、安全性都有重要的意义。 机械工业出版社

典型缓冲吸收电路实例 a) b) c) d) 图2－30 缓冲电路的主要形式 机械工业出版社